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Das neue Bürogebäude der SV SparkassenVersicherung ist Teil des Glückstein-Quartiers, des wichtigsten Stadtentwicklungsgebietes von Mannheim. Bei der Klimaschutz-Planung für das Dach des neuen Gebäudekomplexes fiel die Wahl sehr schnell auf den Hochleistungsdämmstoff von JACKON Insulation: JACKODUR® Plus. Dank seiner hervorragenden Dämmeigenschaften mit einem Lambdawert von nur &lgr;D = 0,027 W/(m·K) stellt JACKODUR® Plus im Bauprojekt die ideale Lösung für einen nachhaltigen und schlanken Wärmeschutz des Dachs dar, die sich der ambitionierten Gebäudeplanung anpasst. (Foto: Kai Wolf, Firma Lange)

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Dynamic façade systems can play an important role in the overall performance of the building by adjusting the amount of transmitted solar radiation into the room and responding to environmental conditions. This paper evaluates two types of dynamic facade systems under various control strategies and shows their influences on energy, visual comfort, and thermal comfort in an office building.
This study looks into the simulated hourly/annual results of venetian blinds versus electrochromic glazing (EC) for an open office room with south-facing window shaded/operated by different control strategies such as manual, radiation-based, illuminance-based, and optimal control scenario, to indicate the overall capabilities and limitations of each shading system.
Finally, results show that a well-engineered automatic control strategy can ensure visual and thermal comfort as well as total site energy savings up to 38 % for an EC glazing and up to 49 % for external venetian blinds.

Untersuchung des Potenzials von dynamischen Fassadensystemen: außenliegender Sonnenschutz im Vergleich mit schaltbarer Verglasung
Dynamische Fassadensysteme spielen eine wichtige Rolle in der Leistungsfähigkeit eines Gebäudes, indem sie die Menge der in den Raum durchgelassenen Sonnenstrahlung anpassen und auf die Umgebungsbedingungen reagieren. Dieser Beitrag bewertet zwei Arten dynamischer Fassadensysteme mit verschiedenen Steuerungsstrategien und deren Einwirkungen auf die Energie, die visuelle und die thermische Behaglichkeit in einem Bürogebäude.
Dieser Aufsatz untersucht die simulierten stündlichen/jährlichen Ergebnisse von außenliegenden Jalousien im Vergleich zu elektrochromer Verglasung (EC) für einen Großraumbüro mit nach Süden ausgerichteten Fenstern, die durch verschiedene Steuerungsstrategien wie manuelle, strahlungsbasierte, beleuchtungsstärkenbasierte und optimale Steuerungsszenarien beschattet werden, um die allgemeinen Fähigkeiten und Grenzen beider Verschattungssysteme aufzuzeigen.
Die Ergebnisse zeigen, dass eine ausgereifte automatische Steuerungsstrategie die visuelle und thermische Behaglichkeit sowie eine standortabhängige Gesamtenergieeinsparung von bis zu 38 % für eine EC-Verglasung und bis zu 49 % für Außenjalousien gewährleisten kann.

Trotz stetig steigender Rechenleistung moderner Computerhardware kann eine instationäre, dreidimensionale, hygrothermische Simulation immer noch ein langwieriger Vorgang sein. Um die Dauer einer Simulation zu reduzieren, stehen Nutzern verschiedene Einflussmöglichkeiten offen, deren Auswirkungen jedoch nur schwer bzw. aufwändig abzuschätzen sind. Der Artikel analysiert anhand zweier Fallbeispiele verschiedene Möglichkeiten, die Simulationszeiten zu reduzieren. Beginnend mit einer Gittersensitivitätsstudie wird die Skalierung des Aufwandes für verschiedene direkte und iterative Gleichungssystemlöser diskutiert. Weiterhin werden numerische Parameter wie Konvergenzfaktoren und Iterationsgrenzen untersucht. Basierend auf integrierten Laufzeitmessungen und Statistiken für verschiedenen Komponenten des Rechenkerns werden die iterativen Lösungsverfahren GMRES und BiCGStab in Kombination mit einem ILU-Vorkonditionierer betrachtet. Die Untersuchungen werden anhand der Software DELPHIN 6 durchgeführt. Der Artikel schließt mit einer Empfehlung für eine günstige Ausgangswahl an Algorithmen und Parametern in Abhängigkeit der Systemgröße und einer kompakten Methodik, diese anhand der Solverstatistiken weiter zu optimieren.

Performance optimization of hygrothermal simulations - Parameter optimization of iterative solvers
Despite continuously enhanced computer hardware, running dynamic 3D hygrothermal simulations may still be a time-consuming process. The duration of simulations may be reduced by user-selected numeric parameters. However, the actual impact of parameters like maximum Krylov subspace, convergence coefficients etc. proves difficult to estimate. In the article different methods of reducing simulation speed are applied to two example cases. Starting with a grid sensitivity study the scaling of effort for different direct and iterative linear equation system solvers is discussed. Further, we investigate parameters influencing the iterative equation system solvers GMRES and BiCGStab in combination with ILU preconditioners. The tests are done with the software DELPHIN 6. The article concludes with recommendation for suitable initial parameter selection based on system size and a short methodology on how to optimize parameters based on collected solver metrics.

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This paper details parts of the work within the Energie.Digital project which aims at developing an integrated representation of building service systems consisting of technical characteristics, physical and functional semantics as well as operating states and state diagrams. This information needs to be machine- readable and linkable using a global identification key.
The focus of this paper is set on the extraction and aggregation of the semantics of service systems from an Industry Foundation Classes (IFC) file and the development of an ontology based on Semantic Web principles within the environment of the Linked Building Data Community Group of the W3C.

Integrale TGA-Beschreibung: Topologie-Extraktion und TUBES-Ontologie.
In diesem Beitrag werden die aktuellen Ergebnisse des Forschungsprojekts Energie.Digital vorgestellt. Ziel des Projekts ist eine integrale digitale Beschreibung der technischen Gebäudeausstattung. Dies umfasst Informationen zu den physikalischen und funktionalen Verknüpfungen, den technischen Eigenschaften der Komponenten sowie zu Betriebsmodi und Ablaufdiagrammen. Diese Informationen müssen maschinenlesbar und über einen Anlagenkennzeichenschlüssel verlinkbar sein.
Im Folgenden wird zum einen die Extraktion und Vereinfachung der topologischen Beschreibung der Systeme der technischen Gebäudeausrüstung aus einem IFC-Modell, anderseits die Entwicklung einer Ontologie beschrieben. Diese basiert auf den Prinzipien des Semantic Web und integriert sich in die Umgebung innerhalb der Linked Building Data Community Group des W3C.

In this paper, a hierarchical Modelica-based Model Predictive Control (MPC) is presented in order to control complex building energy systems with different dynamics. The hierarchical MPC concept tackles the problem of controlling buildings with both slow dynamics such as in thermally activated building systems (TABS) and fast dynamics such as in air handling units (AHUs). It addresses prediction errors of system disturbances (e.g. weather, occupancy) and ensures anticipation, reactivity and real-time capability. Further, the concept allows for considering both thermal and visual comfort by integrating a norm-based Venetian blind model. It calculates the transmission of total energy and light for direct and diffuse solar radiation based on the controlled inclination angle and vertical position of the slats. The benefits compared to single MPC, Rule-Based-Control (RBC) and Proportional-Integrative-Derivative (PID) strategies are demonstrated in simulations on a nonlinear Modelica model.

Hierarchische modellprädiktive Regelung für komplexe Gebäudeenergiesysteme
In diesem Beitrag wird eine hierarchische Modelica-basierte modellprädiktive Regelung (MPC) vorgestellt, um komplexe Gebäudeenergiesysteme mit unterschiedlichen Dynamiken zu regeln. Das hierarchische MPC-Konzept adressiert die Herausforderung in Gebäudeenergiesystemen, in denen gleichzeitig sowohl langsame Dynamiken wie in thermisch aktivierten Bauteilsystemen (TABS) als auch schnelle Dynamiken wie in Lüftungsgeräten geregelt werden. Der Ansatz berücksichtigt mögliche Vorhersage-Fehler von System-Störgrößen (z. B. Wetter, Belegung) und stellt Antizipation, Reaktivität und Echtzeitfähigkeit sicher. Darüber hinaus ermöglicht die Modellierung die Berücksichtigung sowohl des thermischen als auch des visuellen Komforts durch Integration eines Norm-basierten Modells für Jalousien. Es berechnet die Transmission von Gesamtenergie und Licht für direkte und diffuse solare Strahlung basierend auf der Steuerung des Neigungswinkels und der vertikalen Stellung der Lamellen. Die Vorteile gegenüber einer einzelnen MPC, regelbasiertem Ansatz (RBC) und PID-Reglern werden in Simulationen an einem nichtlinearen Modelica Raum-Modell demonstriert.

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Im vorliegenden Beitrag wird ein Ansatz beschrieben, bei dem der Modellierungs- und Simulationsprozess für das Innenraumklima von Gebäuden vollständig in einer Virtual Reality (VR)-Umgebung stattfindet. Auf diese Weise wird der Simulationsexperte bezüglich des Raumdesigns, der räumlichen Wahrnehmung und der Interaktion mit dem Raummodell immersiv eingebunden. Das durch die Interaktionen sich ergebende simulierte Innenraumklima und weitere Größen wie z. B. Energiebedarfe werden dem Nutzer in der VR-Umgebung als Feedback visualisiert.
Zur softwaretechnischen Realisierung des beschriebenen Ansatzes wurde das Modelica-Werkzeug Dymola mit der Spiele-Engine Unity zu einem Gesamtsystem integriert, wobei zwischen beiden Programmen ein bidirektionaler Datenaustausch erfolgt. Die Basis der Berechnungen in Dymola bilden hierbei das thermische Gebäudemodell der Modelica-Bibliothek BuildingSystems. In Unity wurde zur Realisierung der VR-Simulationsumgebung ein Head-Mounted Display eingebunden und die zwei Modi “Modelling” und “Simulation” prototypisch implementiert und in einem Simulationsszenario evaluiert.

Development of a virtual reality environment for interactive thermal room simulation
This article describes an approach in which the modeling and simulation process for the indoor climate of buildings takes place entirely in a virtual reality (VR) environment. In this way, the simulation expert is immersively involved with regard to the spatial design, spatial perception and interaction with the spatial model. The simulated indoor climate resulting from the interactions and other variables such as energy demands are visualized in the VR environment as a feedback to the user.
To implement the described approach in terms of software, the Modelica tool Dymola was integrated with the game engine Unity to form a complete system, with bidirectional data exchange taking place between the two programs. The building model of the Modelica library BuildingSystems forms the basis of the building physics calculations in Dymola. In Unity, a head-mounted display was integrated to implement the VR simulation environment, and the two modes “modeling” and “simulation” were prototypically implemented and evaluated in a simulation scenario.

Ceiling fans allow an increase of the local air velocity on the human body. The associated heat transfer increases user's temperature tolerance in warm environments.
In the presented study, the differences in the application of statistical turbulence models (RANS) for modelling the air flow induced by a ceiling integrated fan is outlined with particular focus on comparing steady and transient simulations. Results of a CFD simulation (Fluent) are shown and compared with measured data of the horizontal velocity distribution.
The study shows that especially the transient simulation using the Realizable k-&egr; model shows a stable convergence behaviour regarding the residuals as well as target values. But at 1.1 m above the floor, the mean absolute error of the transient simulation is larger compared to the stationary model using the Multiple Reference Frame (MRF) approach. Despite the stationary model produces an unrealistic velocity distribution in the immediate vicinity of the fan, if the moving zone needs to be small due to obstacles. For a freely suspended ceiling fan, the moving zone can be adjusted accordingly and the flow pattern can be improved. But modelling a ceiling integrated fan with a fan housing and obstacles in the near region, transient simulations using rigid body motion are required for accurate results.

Vergleich stationärer und transienter RANS-Modellierung zur Analyse der räumlichen Geschwindigkeitsverteilung unter Anwendung deckenintegrierter Ventilatoren
Deckenventilatoren ermöglichen eine Erhöhung der lokalen Luftgeschwindigkeit am menschlichen Körper. Durch die damit verbundene Wärmeabfuhr steigt die Nutzertoleranz gegenüber warmen Umgebungen.
In dieser Studie wird die Anwendung statistischer Turbulenzmodelle (RANS) zur Modellierung der durch deckenintegrierte Ventilatoren induzierten Luftströmung dargestellt. Ein besonderer Fokus wird hierbei auf den Vergleich zwischen stationärer und transienter Simulation gesetzt. Die Ergebnisse der CFD-Simulation (mittels Fluent) werden mit Messergebnissen der horizontalen Geschwindigkeitsverteilung verglichen.
Die Studie zeigt, dass die transiente Simulation mittels Realizable k-&egr; Modell zwar ein stabiles Konvergenzverhalten sowohl seitens der Residuen, als auch der Zielwerte aufzeigt, im Vergleich zur stationären Berechnung jedoch der mittlere absolute Fehler in 1,4 m Entfernung zum Ventilator größer ist, obwohl die stationäre Modellierung mittels des Multiple Reference Frame (MRF)-Verfahrens ein nicht physikalisch begründbares Geschwindigkeitsfeld in der unmittelbaren Umgebung des Ventilators hervorruft. Die Ursache dafür, dass die stationäre Lösung mittels MRF nicht konvergiert, ist auf die räumliche Begrenzung der rotierenden Zone zurückzuführen, so wie es bei deckenintegrierten Ventilatoren durch das Ventilatorgehäuse der Fall ist. Demgegenüber bei frei im Raum hängenden Ventilatoren die rotierende Zone entsprechend adaptiert und das Konvergenzverhalten verbessert werden kann.

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Eine neue Methode und Prozesskette zur Evaluierung des thermischen Komforts bzw. der Wärmebelastung in urbanem Gebiet wird formuliert und anhand einer Fallstudie in einem städtischen Quartier erprobt. Die Methode berücksichtigt insbesondere die Signifikanz aller relevanten Strahlungseinflüsse in Bezug auf das Hitzeempfinden. Zur möglichst exakten Bestimmung derselben werden anhand von Drohnenbefliegungen radiometrische Messungen vorgenommen. Die ermittelten Daten werden in ein detailliertes 3D-Stadtmodell übertragen und auf Basis eines Monte-Carlo Samplingalgorithmus unter Berücksichtigung der humanen Topologie ausgewertet. Die so errechneten lokalen mittleren Strahlungstemperaturen werden für die Erstellung von hochaufgelösten thermischen Komfortkarten und zur Identifizierung und Beurteilung lokaler Hotspots und relevanter Einflussgrößen herangezogen.

Urban thermal comfort maps based on a three-dimensional sampling algorithm and UAV-based radiometric measurements
A new methodology and workflow to assess outdoor thermal comfort and thermal stress in urban areas is developed. The new methodology is applied to a case of an urban quarter in the city of Graz. The method recognizes the significance of detailed and accurate spatially resolved determination of mean radiant temperatures taking into account all relevant radiative components. The method relies on 3D-data acquired from drone (unmanned aerial vehicles UAV) flights, pre-existing city models and a Monte-Carlo ray-tracing algorithm using directional sampling curves based on a 3D-model with human topology. The detailed three-dimensionally determined mean radiation temperatures are used to calculate thermal comfort level maps using UTCI and PMV calculation.

The use of Building Information Modeling (BIM) is becoming more and more state-of-the-art in the construction and real estate industries. Mechanical, electrical, and plumbing (MEP) has a major part in this field. The quality of MEP in the planning and the construction phase of a building is crucial for energy consumption and human comfort within the building. To benefit from the advantages of the BIM methodology, a high-quality data model is needed to ensure the availability of necessary information of a complete life cycle of a building. The Austrian research project metaTGA provides solutions for high-quality data models. The paper will provide information about: how do MEP openBIM data models need to look like? What are the major development steps of these models? How are they applied in a BIM project including first practical feedback? How does the process support quality measures for BIM projects?

Das Forschungsprojekt metaTGA: eine Chance für BIM im Bereich der Technischen Gebäudeausrüstung
Der Einsatz von Building Information Modeling (BIM) wird in der Bau- und Immobilienbranche immer mehr zum State-of-the-Art. Heizung, Klimatechnik, Lüftung und Sanitär (HKLS), vor allem die Qualität der Planung, spielen dabei eine immer größere Rolle, sowohl für den Energieverbrauch als auch für den Komfort eines Gebäudes. Um dabei die Vorteile von BIM nutzen zu können, ist ein qualitativ hochwertiges Datenmodell erforderlich um sicherzustellen, dass alle notwendigen Informationen eines Gebäudes über den gesamten Lebenszyklus für die weitere Verwendung zur Verfügung stehen. Dahingehend bietet das österreichische Forschungsprojekt metaTGA Lösungen für hochqualitative Datenmodelle an und untersucht im vorliegenden Aufsatz folgende Themen bzw. Fragestellungen: Wie müssen leistungsstarke openBIM-Modelle aussehen? Wie schauen die wichtigsten Entwicklungsschritte der Modellierung aus? Wie wird erstes Feedback aus BIM Demo-Projekten berücksichtigt? Wie unterstützt metaTGA hinsichtlich Qualitätssteigerung in BIM Projekten?

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The project described in this paper investigates the energy-relevant behavior of window control actions of the occupants of an office building in Regensburg, Germany. The extensive data monitoring regarding energy consumption, indoor as well as outdoor climate, and window control actions (state of the window handle) started in 2017.
Different machine learning classification algorithms are used together with the measured data to train models for the prediction of window openings and closings. The procedure is designed to identify the potentials and limitations of the realistic forecasting of occupant behavior based on the available data.

Vorhersage des Fensteröffnungszustands unter Anwendung von maschinellem Lernen
Der in dieser Publikation beschriebene methodische Ansatz zur Anwendung von Algorithmen des maschinellen Lernens zur Vorhersage des Fensteröffnungsverhaltens von Gebäudenutzenden, basiert auf Monitoring-Daten eines Bürogebäudes in Regensburg, Deutschland. Das umfangreiche Monitoring zur Erfassung der notwendigen Daten, z. B. der Innenraum- und Außentemperaturen, die Fenstergriffzustände etc. wurde im Rahmen eines Forschungsprojektes in den Jahren 2017 bis 2020 durchgeführt. Im Folgenden werden verschiedene Klassifizierungsalgorithmen des maschinellen Lernens auf die gemessenen Daten angewendet, um Modelle für die Vorhersage von Fensteröffnungen und -schließungen zu trainieren. Das Ziel ist es, die Potenziale und Grenzen der realistischen Vorhersage des Nutzerverhaltens auf der Grundlage der verfügbaren Daten zu identifizieren.

Persönliches:
Thomas Hegger übergibt FVLR-Geschäftsführung an Ulrich Koch
Heinrich Bökamp neuer Präsident der Bundesingenieurkammer (BIngK)

Aktuell: Erster Bundespreis UMWELT & BAUEN
BUND-Forschungspreis 2020 für Transparenz bei Mieterhöhungen nach energetischen Sanierungen
HOAI-Novelle 2021
Bauteilkatalog für Luftschalldämmung opaker Ausfachungen
Experimentalgebäude “workbox” mit Baustoffen aus Nachwachsenden Rohstoffen

Technische Regelsetzung: Neue DIN 18073 für Rollläden, Markisen und sonstige Abschlüsse im Bauwesen

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Bei der Schleusenkammersanierung in Lauffen am Neckar demonstriert PASCHAL einmal mehr, dass das Motto “Effizienz in Kombination mit Schalung, Software und Service” praktisch umgesetzt wird.
Aufgrund von altersbedingten Schäden an der zweiten Schleusenkammer ist deren Grundinstandsetzung notwendig. Die Arbeiten umfassen die Erneuerung der geschädigten Kammerwände sowie das Versetzen des Oberhaupts zur Optimierung der Schleusenkammer für 110 m-Schiffe. Für ca. 2.500 m2 Stahlbetonschleusenwände sind gerade mal 300 m2 PASCHAL Wandschalung LOGO.3, 1.700 m3 GASS kombiniert mit Teilen des Traggerüstes TG60 als Mietmaterial im Einsatz. (Foto: PASCHAL)

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Unter den meisten Bedingungen sind zementgebundene Baustoffe in Trinkwasser beständig. Sehr weiches bzw. kalkarmes Wasser kann jedoch die Dauerhaftigkeit von Betonoberflächen beeinträchtigen. Auslaugungsprozesse zwischen Werkstoff und Wasser führen langfristig zur Aufweichung der Oberfläche und der einhergehende Alkalitätsverlust kann bei unzureichender Betondeckung zur Korrosion der Bewehrung führen.
Im Rahmen eines DVGW-geförderten Forschungsprojekts wurden Betonoberflächen einer mehrmonatigen Auslaugungsbeanspruchung in kalkfreiem Wasser ausgesetzt und die oberflächliche Veränderung der Proben anhand verschiedener materialtechnischer Parameter verfolgt. Die Ergebnisse erlauben direkte Rückschlüsse auf den Schädigungsmechanismus, die Auslaugungsgeschwindigkeit sowie das Schädigungsprofil. Die Ergebnisse werden mit Bezug zu den maßgeblichen Einflussparametern der verschieden porösen Betonoberflächen auf ihren Auslaugungswiderstand sowie die Bedeutung für die Dauerhaftigkeit von Betonoberflächen in Trinkwasserbehältern diskutiert.

Leaching resistance of concrete surfaces in drinking water reservoirs
Under usual conditions, cementitious materials are durable in drinking water. Pure water, on the other hand, can severely harm concrete surfaces. Consequently, the concrete surface becomes soft and the rebar-protecting passivity can be lost.
In a DVGW-funded research project, concrete surfaces were exposed in a laboratory leaching test over a duration of several months and superficial changes were monitored. The results give insight into the emerging leaching processes, the advances of the deterioration, and the deterioration depth-profile. The results are discussed in terms of the major influences of leaching and the durability of concrete surfaces in drinking water reservoirs.

Der bautechnische Zustand der in die Jahre gekommenen Verkehrsinfrastruktur verlangt in Kombination mit Ressourcenknappheit nach einer Priorisierung von Instandsetzungsmaßnahmen. Im Rahmen der Sicherheitsforschung des Bundes untersucht das Verbundforschungsvorhaben PREVIEW die Auswirkung von Sicherheitsszenarien auf die Verkehrsströme und den Bevölkerungsschutz am westdeutschen Kanalnetz. Als relevantes Sicherheitsszenario hat sich hierbei der Instandsetzungsstau bei den Verkehrswasserbauwerken erwiesen. Deren Ausfallwahrscheinlichkeit wird maßgeblich durch ihre Vulnerabilität hinsichtlich definierter Sicherheitsszenarien bestimmt. Für die Ermittlung der Vulnerabilität werden mehrdimensionale Fehlerbäume unter Berücksichtigung der Bauwerksrobustheit herangezogen. Die so ermittelte Ausfallwahrscheinlichkeit dient zusammen mit der Bauwerkskritikalität der Risikobetrachtung auf Bauwerksebene. Die Bauwerksergebnisse dienen als Grundlage für Resilienzuntersuchungen auf Kanalnetzebene.

Vulnerability of waterway structures
The technical condition of the ageing transport infrastructure, combined with the scarcity of resources, demands for the prioritization of repair measures. As part of federal security research, the PREVIEW joint research project is examining the impact of security scenarios on traffic flows and civil protection on the West German Canal Network. The maintenance backlog at the waterway structures has proven to be a relevant safety scenario. Their failure probability is largely determined by their vulnerability concerning defined security scenarios. To determine vulnerability, multi-dimensional fault trees are used, taking structural robustness into account. The failure probability determined in this way is used together with the criticality to examine the risk assessment at the building level. The building results serve as the basis for resilience studies at the canal network level.